KR102409458B1 - 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무도상 교량의 레일을 장대화하는 공법으로서, 무도상 교량의 레일을 레일이음매 없이 장대화하고, 상기 레일을 지지하는 상부구조를 연속화하며, 상기 상부구조를 양측에서 지지하는 한 쌍의 교대와 상기 상부구조는 서로 고정 또는 반고정시켜 일체화하고, 상기 교대 사이에서 상기 상부구조를 지지하는 교각은 상기 상부구조와 교축방향 반력이 발생하지 않도록 결합되는 것을 특징으로 하는, 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 무도상 교량의 레일을 장대화하는 기술에 관한 것이다.
현재 기존선에는 도상 없이 거더에 침목이 직결되어 있는 무도상교량이 다수 존재한다. 무도상교량은 대부분 일제시대에 건설되어 교량 및 궤도 상태가 레일을 장대화하기 어려운 조건에 있다. 판형교 일부가 유도상화 사업을 통하여 레일장대화가 이루어지고 있지만 사업 추진이 매우 느리게 진행되고 있다. 무도상교량구간에서 레일비장대화는 승객의 승차감 및 차량의 주행안전성 저하와 열차속도의 제한 요인으로 작용하여 철도 서비스품질 및 대외경쟁력을 크게 저하시키고 있다. 또한 레일이음매는 소음 및 진동을 발생시키는 가장 큰 원인이 되어 왔으며, 차륜이 레일이음매 통과시 발생하는 충격하중으로 궤도 및 차륜 손상이 발생하게 되고, 이에 따라서 유지보수비가 크게 발생하고 있다.
특히 교량상에는 다수의 레일이음매가 존재하여 타 구간에 비하여 매우 큰 소음 및 진동이 발생함에 따라서 승객 및 철도 주변 주민이 큰 불편을 겪고 있다. 따라서 판상교 및 트러스교를 포함한 노후 무도상교량에서 레일장대화는 국가적으로 반드시 필요한 과제이다.
이에, 본 발명의 발명자는 무도상 교량에서의 레일 장대화를 위하여 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 무도상 교량의 레일을 장대화하여 소음 및 진동발생을 최소화하고자 한다.
또한 일반적인 무도상 교량의 교각은 수평력에 대한 저항성이 취약한데, 레일의 장대화시 이러한 점을 고려하여 상부구조와 교각을 슬라이딩 받침을 이용하여 결합하고, 상부구조와 교대는 고정결합하여 상부구조의 수평 변위를 제어함으로써 이러한 문제를 해결하고자 한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서, 무도상 교량의 레일을 장대화하는 공법으로서,
무도상 교량의 레일을 레일이음매 없이 장대화하고,
상기 레일을 지지하는 상부구조를 연속화하며,
상기 상부구조를 양측에서 지지하는 한 쌍의 교대와 상기 상부구조는 서로 고정시켜 일체화하고,
상기 교대 사이에서 상기 상부구조를 지지하는 교각은 상기 상부구조와 교축방향 반력이 발생하지 않도록 결합되는 것을 특징으로 하는,
변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서 상기 교각과 상기 상부구조는 슬라이딩 받침에 의하여 서로 결합되어 상기 상부구조의 교축방향 이동만을 허용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서 상기 교대와 상기 상부구조는 힌지결합되어 상기 상부구조의교축방향 및 교축 직각방향 이동을 허용하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서 무도상 교량의 레일이음매 없는 장대레일;
상기 장대레일을 지지하는 연속화된 상부구조;
상기 상부구조를 양측에서 지지하되, 상기 상부구조와 고정결합되는 한 쌍의 교대; 및
한 쌍의 상기 교대 사이에서 상기 상부구조를 지지하되, 상기 상부구조와 교축방향반력이 발생하지 않도록 결합되는 교각을 포함하는 것을 특징으로 하는,
철도교량을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서 상기 교각과 상기 상부구조를 결합시키는 슬라이딩 받침을 더 포함하여, 상기 상부구조의 교축방향 이동만을 허용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서 상기 교대와 상기 상부구조를 결합시키는 고정받침을 더 포함하여 상기 상부구조의 교축방향 및 교축 직각방향 이동을 허용하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서 무도상 교량의 레일을 장대화하는 공법으로서,
무도상 교량의 레일을 레일이음매 없이 장대화하고,
상기 레일을 지지하는 상부구조를 연속화하며,
상기 상부구조를 양측에서 지지하는 한 쌍의 교대와 상기 상부구조는 교축방향으로 기설정된 일정구간만 이동할 수 있도록 반고정결합되고,
상기 교대 사이에서 상기 상부구조를 지지하는 교각은 상기 상부구조와 교축방향 반력이 발생하지 않도록 결합되는 것을 특징으로 하는,
변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서 무도상 교량의 레일이음매 없는 장대레일;
상기 장대레일을 지지하는 연속화된 상부구조;
상기 상부구조를 양측에서 지지하도록 한 쌍으로 형성되되, 상기 상부구조와 교축방향으로 기설정된 일정구간만 이동할 수 있도록 반고정결합되는 교대; 및
한 쌍의 상기 교대 사이에서 상기 상부구조를 지지하되, 상기 상부구조와 교축방향반력이 발생하지 않도록 결합되는 교각을 포함하는 것을 특징으로 하는,
철도교량을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 무도상 교량의 레일을 장대화하는 공법으로서,
무도상 교량의 레일을 레일이음매 없이 장대화하고,
상기 레일을 지지하는 상부구조를 연속화하며,
상기 상부구조를 양측에서 지지하는 한 쌍의 교대 중 어느하나와 상기 상부구조는 서로 고정결합하고, 나머지 하나와 상기 상부구조는 교축방향으로 기설정된 일정구간만 이동할 수 있도록 반고정결합되며,
상기 교대 사이에서 상기 상부구조를 지지하는 교각은 상기 상부구조와 교축방향 반력이 발생하지 않도록 결합되는 것을 특징으로 하는,
변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라,
무도상 교량의 레일이음매 없는 장대레일;
상기 장대레일을 지지하는 연속화된 상부구조;
상기 상부구조를 양측에서 지지하도록 한 쌍으로 형성되되, 한 쌍 중 어느 하나와 상기 상부구조는 서로 고정결합하고, 나머지 하나와 상기 상부구조가 교축방향으로 기설정된 일정구간만 이동할 수 있도록 반고정결합되는 교대; 및
한 쌍의 상기 교대 사이에서 상기 상부구조를 지지하되, 상기 상부구조와 교축방향반력이 발생하지 않도록 결합되는 교각을 포함하는 것을 특징으로 하는,
철도교량을 제공한다.
본 발명에 따른 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법을 이용하면 무도상 교량의 레일을 장대화할 수 있다.
또한, 교대와 상부구조는 고정하고, 교각과 상부구조는 교축방향 반력이 발생하지 않도록 결합함으로써, 수평력에 대한 저항성이 취약한 교각의 문제를 해결할 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 종래 철도 교량의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법에 의한 철도교량을 나타낸 도면이다.
도 3은 레일 장대화에 따른 레일의 부가축응력, 변위 등을 나타낸 도면으로서, 도 3(a)는 도 1에 따른 철도 교량을, 도 3(b)는 도 2에 따른 철도 교량을 나타낸 것이다.
도 4는 도 2와는 서로 다른 본 발명의 일 실시예에 따른 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법에 의한 철도교량을 나타낸 도면이다.
도 5는 철도 교량의 구조해석을 위하여 선정한 25 m 판형교로서 도 5(a)는 판형교의 측면도, 5(b)는 판형교의 평면도 및 배면도, 5(c)는 판형교의 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 구조해석 모델로서 경간장 25m의 단순부로 구성된 3경간 교량을 나타낸 도면이다.
도 7(a)는 압축 시에만 강성을 갖는 교대부 배면의 하중-변위 관계를 나타낸 도면이고, 도 7(b)는 교대부는 교축방향으로 8mm의 이동만을 허용하고, 교각부는 교축방향 이동만을 허용하는 롤러로 모델링 한 경우의 하중-변위 곡선을 나타낸 도면이다.
도 8(a)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 8(b)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 9(a)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 9(b)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 10(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 10(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 11(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 11(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 12는 SMMS 반고정지점의 교축방향 이동허용량과 레일의 부가축응력 및 교대부 수평반력 간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 13은 FMMF 구조에서 경간수 증가에 따른 온도하중에 의한 레일의 부가축응력 변화를 나타낸 도면으로서 도 13(a)는 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 경우이며, 도 13(b)는 온도가 50도 감소했을 경우를 나타낸다.
도 14는 SMMS구조에서 경간수 증가에 따른 온도하중에 의한 레일의 부가축응력 변화를 나타낸 도면으로서 도 14(a)는 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 경우이며, 도 14(b)는 온도가 50도 감소했을 경우를 나타낸다.
도 15는 도 13 및 도 14의 결과를 이용한 교량 길이 증가에 따른 교량 중앙부와 단부 레일 부가축응력 변화를 나타낸 도면이다.
도 16은 교량 길이 증가에 따른 제동하중에 의한 레일과 교량 상부 간 상대변위 변화를 나타낸 도면이다.
도 17(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 17(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 18(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 18(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법에 의한 철도교량을 나타낸 도면이다.
도 3은 레일 장대화에 따른 레일의 부가축응력, 변위 등을 나타낸 도면으로서, 도 3(a)는 도 1에 따른 철도 교량을, 도 3(b)는 도 2에 따른 철도 교량을 나타낸 것이다.
도 4는 도 2와는 서로 다른 본 발명의 일 실시예에 따른 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법에 의한 철도교량을 나타낸 도면이다.
도 5는 철도 교량의 구조해석을 위하여 선정한 25 m 판형교로서 도 5(a)는 판형교의 측면도, 5(b)는 판형교의 평면도 및 배면도, 5(c)는 판형교의 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 구조해석 모델로서 경간장 25m의 단순부로 구성된 3경간 교량을 나타낸 도면이다.
도 7(a)는 압축 시에만 강성을 갖는 교대부 배면의 하중-변위 관계를 나타낸 도면이고, 도 7(b)는 교대부는 교축방향으로 8mm의 이동만을 허용하고, 교각부는 교축방향 이동만을 허용하는 롤러로 모델링 한 경우의 하중-변위 곡선을 나타낸 도면이다.
도 8(a)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 8(b)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 9(a)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 9(b)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 10(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 10(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 11(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 11(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 12는 SMMS 반고정지점의 교축방향 이동허용량과 레일의 부가축응력 및 교대부 수평반력 간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 13은 FMMF 구조에서 경간수 증가에 따른 온도하중에 의한 레일의 부가축응력 변화를 나타낸 도면으로서 도 13(a)는 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 경우이며, 도 13(b)는 온도가 50도 감소했을 경우를 나타낸다.
도 14는 SMMS구조에서 경간수 증가에 따른 온도하중에 의한 레일의 부가축응력 변화를 나타낸 도면으로서 도 14(a)는 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 경우이며, 도 14(b)는 온도가 50도 감소했을 경우를 나타낸다.
도 15는 도 13 및 도 14의 결과를 이용한 교량 길이 증가에 따른 교량 중앙부와 단부 레일 부가축응력 변화를 나타낸 도면이다.
도 16은 교량 길이 증가에 따른 제동하중에 의한 레일과 교량 상부 간 상대변위 변화를 나타낸 도면이다.
도 17(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 17(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이다.
도 18(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 18(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에서 재설정온도 20도를 기준으로 레일의 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법 및 그 공법을 이용하여 완성된 철도교량의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 종래 철도 교량의 레일을 장대화한 경우의 일 실시예를 나타낸 도면이다. FMFM 방식으로 지점이 배치된 전형적인 판형교로서, 여기서 F는 고정지점(Fixed Support), M은 이동지점(Movable support)를 의미한다. 예를 들어 F는 힌지일 수 있고, M은 롤러 받침 또는 슬라이딩 받침을 의미할 수 있다.
다시말해, 종래 철도 교량의 교대(10)와 상부구조(30)은 11 영역에서 힌지 결합하고, 12 영역에서는 롤러 결합할 수 있다. 또한, 교각(20)과 상부구조(30)은 21 영역 및 22 영역에서 일부(경간 우측)는 롤러 결합, 그리고 나머지 일부(경간 좌측)는 힌지의 고정결합일 수 있다. 결국 각 경간의 일단은 고정되고, 타단은 교축방향 이동을 허용하도록 결합됨으로써, 온도나 그 외 하중에 의하여 상부구조가 고정지점으로 하중력이 발생할 수 있고, 이러한 하중력의 반대방향으로 레일의 부가축응력이 발생할 수 있다.
도 3(a)에서 알 수 있듯이, 이러한 경우의 변위는 레일의 좌측 경간 고정단에는 최대 압축응력을, 우측 경간 가동단에는 최대 인장응력을 발생시키고, 중앙 경간 고정단과 가동단에는 각각의 측경간에 의한 간섭 효과가 반영된 압축응력과 인장응력을 발생시킨다.
그리고, 도상에는 응력 그래프 하단에 표시한 화살표 방향으로 단위 길이 당 복진 저항력이 발생하게 된다. 따라서 종래 철도 교량을 장대화하기 위해서는 기존 침목에 큰 복진 저항력에 저항할 수 있는 시설이 요구되고, 나아가 교각이 상시하중으로 장대레일하중에 안전하도록 보강되어야 하므로 높은 공사비를 요구한다.
이에 본원발명은 기존선의 장대레일화를 진행하되, 비용과 기간을 최소화하고, 유지보수 또한 용이한 철도교량을 제조할 수 있도록 발명한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법에 의한 철도교량을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본원발명에 따른 철도교량은 무도상 교량의 레일을 장대화하는 것으로서, 무도상 교량의 레일을 레일이음매 없이 장대화하고, 레일을 지지하는 상부구조(300)를 연속화하며, 상부구조(300)와 교대(100)는 고정결합, 상부구조(300)와 교각(200)은 교축방향 이동을 허용하도록 결합되는 것을 특징으로 한다.
도 2의 110 영역 및 120 영역에서 알 수 있듯이, 교대(100)와 상부구조(300)는 고정결합된다. 그리고 210 영역 및 220 영역에서 알 수 있듯이, 각 상부구조(300)는 신축이음장치 없이 서로 일체화되어 결합되고, 이러한 상부구조(300)와 교각(200)은 롤러 또는 슬라이드 받침 등에 의하여 교축방향 이동이 허용되도록 결합된다.
즉, 상부구조(300)를 양측에서 지지하는 한 쌍의 교대(100)와 상부구조(300)는 서로 고정시켜(힌지 결합 등) 일체화되고, 교대(100) 사이에서 상부구조(300)를 지지하는 교각(200)은 상부구조(300)와 교축방향 반력이 발생하지 않도록 롤러 또는 슬라이딩 결합하는 것이다.
앞서 살펴본 바와 같이, 레일을 장대화하는 경우 교각에 교축방향의 수평력이 발생하게 되는데, 교각은 수평력에 대한 저항에 매우 약하므로 본 발명에서는 이를 최소화하기 위하여 교각과 상부구조를 롤러나 슬라이드 받침을 이용하여 결합함으로써, 교각의 수평반력을 “0”로 근접시키는 것이다.
도 3은 레일 장대화에 따른 레일의 부가축응력, 변위 등을 나타낸 도면으로서, 도 3(a)는 도 1에 따른 철도 교량을, 도 3(b)는 도 2에 따른 철도 교량을 나타낸 것이다.
앞서 설명한 바와 같이 기존선의 철도 교량의 레일 장대화의 경우 변위는 레일의 좌측 경간 고정단에는 최대 압축응력을, 우측 경간 가동단에는 최대 인장응력을 발생시키고, 중앙 경간 고정단과 가동단에는 각각의 측경간에 의한 간섭 효과가 반영된 압축응력과 인장응력을 발생시킨다. 그리고, 도상에는 응력 그래프 하단에 표시한 화살표 방향으로 단위 길이 당 복진 저항력이 발생하게 된다. 따라서 종래 철도 교량을 장대화하기 위해서는 기존 침목에 큰 복진 저항력에 저항할 수 있는 시설이 요구되고, 나아가 교각이 상시하중으로 장대레일하중에 안전하도록 보강되어야 한다.
이제 본원발명의 일 실시예에 따른 도 3(b)를 보면, 온도 변화에 따른 상부구조의 변위는 일체화된 단일 경간의 양 단부에서 경간 중앙부로 발생한다. 그리고 이러한 변위는 상부구조와 일체화된 양 측 교대의 강성에 의하여 제어된다. 교대의 변위제어 효과에 의하여 양측 교대 상단과 교량 중앙부 레일에 최대 인장 및 압축 부가축응력이 발생하게 된다. 한편, 연속화된 상부구조는 구조시스템을 고차부정정으로 변경시키므로 구조 성능 향상과 함께 처짐 저감 등의 사용성 개선효과가 있다.
도 4는 도 2와는 서로 다른 본 발명의 일 실시예에 따른 변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법에 의한 철도교량을 나타낸 도면이다.
도 4의 110 영역 및 120 영역에서 알 수 있듯이, 교대(100)와 상부구조(300)는 반고정결합된다. 그리고 210 영역 및 220 영역에서 알 수 있듯이, 각 상부구조(300)는 신축이음장치 없이 서로 일체화되어 결합되고, 이러한 상부구조(300)와 교각(200)은 롤러 또는 슬라이드 받침 등에 의하여 교축방향 이동이 허용되도록 결합된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상부구조(300)와 교대(100)의 결합을 힌지 등에 의한 고정결합이 아닌 상부구조(300)가 교축방향으로 기설정된 일정구간만 이동할 수 있도록 반고정결합된 것을 나타낸다. 이하에서는 반고정결합된 것을 "S"(semi-fixed)로 표시한다. 교각(200)과 상부구조(300)는 도 2에서와 같이 교축방향 이동을 허용하는 롤러 또는 슬라이드 결합으로 이루어진다. 마찬가지로 무도상 교량의 레일은 레일이음매 없이 장대화하고, 레일을 지지하는 상부구조(300) 또한 신축이음장치가 없이 연속화하는 것이다.
이러한 구조를 통하여 교대(100)와 상부구조(300)가 고정결합될 경우 발생하는 교대(100)가 부담하는 높은 강성을 일부 줄여줄 수 있다.
도 5는 철도 교량의 구조해석을 위하여 선정한 25 m 판형교로서 도 5(a)는 판형교의 측면도, 5(b)는 판형교의 평면도 및 배면도, 5(c)는 판형교의 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 구조해석 모델로서 경간장 25m의 단순부로 구성된 3경간 교량을 나타낸 도면이다.
이제 본원발명의 실시예에 따른 효과를 확인하기 위하여 구조해석해 본 결과를 설명한다.
도 5의 판형교를 도 6의 해석모델에 적용하여 구조해석해 보았다.
자세하게는 교량의 해석모델은 아바쿠스(ABAQUS)를 이용하여 경간장 25m의 단순보로 구성된 3경간 교량을 대상으로 진행하였으며, 이때 제원은 [표 1]과 같다.
| Type | Area(m2) | Ixx(m4) | Iyy(m4) | J(m4) |
| Rail (60kg) | 0.015 | 6.07E-5 | 1.02E-5 | 4.34E-6 |
| Girder | 0.087 | 0.04 | 0.07 | 2.07E-5 |
| Pier | 14.36 | 7.93 | 37.18 | 21.89 |
| Abutment | 15.84 | 14.37 | 30.41 | 33.81 |
도 5(c)의 양쪽 거더와 레일은 각각 하나의 빔으로 모델링하였으며, 리지드 링크(rigid link) 및 스프링을 이용하여 연결한 것이다. 토공구간을 자갈궤도로 가정하고, 도상저항력에 대한 스프링계수는 KR C-08080 “궤도-교량 종방향 상호작용 해석 (2017)”을 참고하여 결정했으며, 레일과 침목을 연결하는 레일체결장치와 침목과 거더를 연결하는 침목고정장치에 대한 스프링 강성은 “김경호, 황인영, 백인철, 최상현 (2018) 기존 무도상 판형교 궤도의 종저항거동에 대한 실험, 한국도시철도학회 논문집, 6(4), pp. 339-349,” “이형덕. 이주호. 송종걸, 문지호 (2018) 무도상 판형교의 장대레일 좌굴해석 모델 개발 및 교량침목 체결장치 최소 저항력 산정, 한국철도학회 논문집, 21(10), pp. 993-1002” 및 “한국철도기술연구원 (2000) 경부고속철도 기존선 활용에 따른 판형교 장대부설 및 장대레일 관리방안 연구, 최종보고서”를 참조하여 [표 2]와 같이 적용한 것이다.
| Stiffness Fastener |
Translational Stiffness (N/m) | Rotational Stiffness (Nm/rad) | |||||
| Longitudinal | Lateral | Vertical | Longitudinal | Lateral | Vertical | ||
| Tension | Compression | ||||||
| Rail Fastener (unit rail) | 6.6×106 | 1.3×107 | 9×105 | 3.5×107 | 6×104 | 6×104 | 6×104 |
| Sleeper Fastener (unit track) | 1.4×107 | 1.9×107 | 1×107 | 2×108 | - | - | - |
교량을 장대레일 부동구간에 위치시키기 위하여 교량구간 이전 및 이후를 각각 300m 연장하여 레일을 모델링하였으며, 교각과 교대 하부는 모두 고정하였고, 교대 배면은 압축시에만 작용하는 비선형스프링으로 모델링하였다. 교대 압축시의 스프링계수는 철도설계기준에 제시된 아래 식을 이용하여 결정하였다. 참고로 배면토의 N값은 20으로 가정하였다.
여기서 
을 의미한다.
교대부의 고정지점은 모든 방향 이동을 허용하지 않는 힌지, 교각부 이동지점은 교축방향 이동만을 허용하는 롤러로 모델링하였으며, 교대부 수평반력 저감을 위한 반고정지점은 교축방향으로 8mm의 이동만을 허용하도록 모델링하였다. 시제동하중 및 열차수직하중은 KR C- 08080 및 철도설계기준을 준용하여 재하하였다. 시동하중의 재하 구간은 교량 시점부부터 33m까지이며, 크기는 33kN/m/track이다. 제동하중은 자갈도상구간과 교량구간 포함 총 394m 구간에 재하하였으며, 크기는 20kN/m/track이다. 열차수직하중(KRL-2012)은 제동하중과 같은 구간에 재하하였다.
도 7(a)는 교대부는 힌지, 교각부는 교축방향 이동만을 허용하는 롤러로 모델링한 경우의 하중-변위 곡선을 나타낸 도면이고, 도 7(b)는 교대부는 교축방향으로 8mm의 이동만을 허용하고, 교각부는 교축방향 이동만을 허용하는 롤러로 모델링 한 경우의 하중-변위 곡선을 나타낸 도면이다.
도 8(a)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이고, 도 8(b)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이며, 도 9(a)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이고, 도 9(b)는 온도하중만을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
레일과 교량의 온도 변화는 재설정온도 20℃를 기준으로 +40℃℃로 고려하였다. 도면에서 교량의 시점은 0m이며, 경간 수 증가에 따라 25m 증가하여, 결국 3경간 교량의 경우 종점은 75m이다.
온도하중만을 고려한 해석결과에서 알 수 있듯이, 온도하중에 대한 레일의 부가축응력 분포는 FMFM 방식과 변위제어 공법이 확연한 차이를 보이고 있으며, 단위경간 내에서 인장응력과 압축응력의 최대값이 교번하여 발생하고, 경간 증가에 따라 부가축응력이 점차 커지는 패턴의 FMFM 방식과 달리 변위제어 공법은 양단 교대부와 교량 중앙부에 인장응력과 압축응력의 최대값이 각각 발생하는 패턴으로 나타났다. SMMS 방식으로 지점 배치 시 FMMF 방식의 변위제어 공법에 비하여 부가축응력이 증가하는 것으로 나타났다. 부가축응력의 범위는 온도 상승 시 FMFM 방식 -40MPa ~ +35MPa, FMMF 방식 -30MPa ~ +25MPa, SMMS 방식 -42MPa ~ +42MPa, 온도 하강시 FMFM 방식 -35MPa ~ +40MPa, FMMF 방식 -28MPa ~ +36MPa, SMMS 방식 -42MPa ~ +42MPa 정도로 나타났다. 수평 반력의 경우 FMFM 방식은 교각 194kN ~ 234kN, 교대 545kN ~ 570kN 범위가 발생하였으나, FMMF 방식의 경우 교대부 반력이 3,824kN ~ 4,955kN 범위로 크게 증가하는 것으로 나타났다. SMMS 방식으로 지점을 배치하는 경우 교대 반력은 1,432kN ~ 1,637kN 정도로 감소하는 것으로 나타났다.
도 10(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이고, 도 10(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이며, 도 11(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이고, 도 11(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS의 각각의 구조에 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려한 해석 결과를 보면, 부가축응력의 범위는 온도 상승 시 FMFM 방식 -62MPa ~ +75MPa, FMMF 방식 -40MPa ~ +32MPa, SMMS 방식 -55MPa ~ +45MPa, 온도 하강시 FMFM 방식 -40MPa ~ +40MPa, FMMF 방식 -38MPa ~ +50MPa, SMMS 방식 -52MPa ~ +58MPa 정도로 나타났다. 수평반력은 FMFM 방식은 교각 145kN ~ 355kN, 교대 270kN ~ 315kN 범위가 발생하였다. FMMF 방식의 경우 교대부 수평반력이 2,840kN ~ 4,955kN 범위로 크게 증가하나, SMMS 방식으로 지점을 배치할 경우 710kN ~ 2,400kN 정도로 감소하는 것으로 나타났다.
결국 교대에 힌지 등의 고정지점 대신 반고정지점 설치 시 교대부 수평반력은 감소하나, 레일의 부가축응력은 증가하는 것을 알 수 있다.
도 12는 SMMS 반고정지점의 교축방향 이동허용량과 레일의 부가축응력 및 교대부 수평반력 간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 12에서 레일의 부가축응력은 허용인장응력 92MPa 및 허용압축응력 72MPa로 나누었으며, 교대부 수평반력은 온도 상승 시 1,300kN, 온도 하강 시 3,000kN로 임의 가정한 허용값으로 나누어 무차원화한 값이다.
도 12에서 알 수 있듯이, 반고정지점의 이동허용량 증가에 따른 수평반력 저감기울기가 레일의 부가축응력 증가추세보다 현저하게 작게 나타나고 있어 수평반력이 과도하게 발생할 경우 이동허용량 조정을 통해 제어할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 FMMF 구조에서 경간수 증가에 따른 온도하중에 의한 레일의 부가축응력 변화를 나타낸 도면으로서 도 13(a)는 온도가 40도 증가했을 경우이며, 도 13(b)는 온도가 50도 감소했을 경우를 나타내고, 도 14는 SMMS구조에서 경간수 증가에 따른 온도하중에 의한 레일의 부가축응력 변화를 나타낸 도면으로서 도 14(a)는 온도가 40도 증가했을 경우이며, 도 14(b)는 온도가 50도 감소했을 경우를 나타낸다.
경간수는 2 ~ 6개까지 고려하였으며, 경간수 증가에 따라 FMMF 방식으로 지점을 배치할 경우 온도 상승 시 압축응력, 온도 하강 시 인장응력이 점차 증가하는 것으로 나타났다. SMMS 방식의 경우 응력의 크기는 증가하나, 경향은 유사한 것을 알 수 있다.
도 15는 도 13 및 도 14의 결과를 이용한 교량 길이 증가에 따른 교량 중앙부와 단부 레일 부가축응력 변화를 나타낸 도면이다.
도 15에서 알 수 있듯이, 교량 길이 증가에 따라 레일 부가축응력은 교량 단부에서는 증가하나, 교량 중앙부는 거의 일정한 수준을 유지하는 것을 알 수 있다.
도 16은 교량 길이 증가에 따른 제동하중에 의한 레일과 교량 상부 간 상대변위 변화를 나타낸 도면이다.
도 16에서 알 수 있듯이, 상대변위는 SMMS 방식이 FMMF 방식보다 크게 발생하였으며, FMMF 방식은 교량 길이 증가에 따라 일정한 증가 추세를 보이나, SMMS 방식은 4경간부터 증가폭이 감소함을 알 수 있다.
도 17(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에 온도가 40도 증가했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이고, 도 17(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에 온도가 50도 감소했을 때 레일의 부가축응력분포를 나타낸 도면이며, 도 18(a)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에 온도가 40도 증가했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이고, 도 18(b)는 온도하중, 시제동하중 및 열차하중을 고려하고, FMFM, FMMF, SMMS, FMMS의 각각의 구조에 온도가 50도 감소했을 때 교대의 반력을 나타낸 도면이다.
도 17 및 도 18에서 알 수 있듯이, FMMS의 경우 즉, 상부구조를 양측에서 지지하는 한 쌍의 교대 중 어느하나와 상부구조는 서로 고정결합하고, 나머지 하나와 상부구조는 교축방향으로 기설정된 일정구간만을 이동하도록 반고정결합된 경우, 레일의 부가축응력 및 교대의 반력은 FMMF 및 SMMS의 중간값을 나타냄을 알 수 있다.
변위제어 공법은 교량 상부구조를 연속화하고, 교각 상부에 이동지점, 교대부에 고정지점을 설치하여 교각에 수평반력이 발생하지 않도록 하는 방법이다. 이러한 방식으로 지점 배치 시 교대의 변위제어 효과에 의해 양측 교대부와 교량 중앙부 레일에 최대 인장 및 압축 부가축응력이 발생하게 된다. 이 공법 적용 시 구조시스템은 고차 부정정으로 변경되며 구조 성능 향상과 함께 진동 및 처짐 저감 등의 사용성 개선 효과를 기대할 수 있다. 다만 증가되는 교대부의 수평반력은 교대의 강성 보강 또는 반고정형 받침 설치를 통해 제어함으로써 이를 해결할 수 있다.
결국 본 발명은 교량 상부구조의 변위제어를 이용하여 수평방향 작용력에 취약하고, 보강이 용이하지 않은 교각에 수평방향 장대레일 하중을 작용시키지 않으면서 무도상 교량의 레일을 장대화하는 공법을 제공한다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
10: 교대
20: 교각
RL: 레일
30: 상부구조
100: 교대
200: 교각
RL: 레일
300: 상부구조
20: 교각
RL: 레일
30: 상부구조
100: 교대
200: 교각
RL: 레일
300: 상부구조
Claims (10)
- 레일이음매를 포함한 무도상 교량의 레일을 장대화하는 공법으로서,
무도상 교량의 레일을 레일이음매 없이 장대화하는 단계;
상기 레일을 장대화하는 단계 이후, 상기 레일을 지지하되, 불연속구간을 포함하는 상부구조의 불연속 구간을 신축이음장치 없이 서로 일체화하여 연속화하는 단계;
상기 상부구조를 연속화하는 단계 이후, 상기 상부구조를 양측에서 지지하는 한 쌍의 교대와 상기 상부구조를 서로 고정시켜 일체화하는 단계;
상기 교대 사이에서 상기 상부구조를 지지하는 교각은 상기 상부구조와 교축방향 반력이 발생하지 않도록 결합하는 단계를 포함하고,
상기 교각과 상기 상부구조는 슬라이딩 받침에 의하여 서로 결합되어 상기 상부구조의 교축방향 이동만을 허용하며,
상기 교대와 상기 상부구조는 힌지결합되어 상기 상부구조의 교축방향 및 교축 직각방향 이동을 허용하지 않으며, 상기 교대는 수평반력을 지지하기 위하여 강성 보강되는 것을 특징으로 하는,
변위제어를 이용한 무도상 교량 레일 장대화 공법.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |